Перш за все, необхідно зрозуміти, що існує чотири окремих види енергії, що виділяється:
1) хімічна енергія, яка живить наші автомобілі, а також більшу частину пристроїв сучасної цивілізації;
2) енергія ядерного розщеплення, яка використовується для вироблення близько 15% споживаного нами електрики;
3) енергія гарячого ядерного синтезу, яка живить сонце і більшість зірок;
4) енергія холодного ядерного синтезу, яка спостерігається деякими експериментаторами при лабораторних дослідженнях і існування якої відкидається більшістю вчених.
Кількість виділеної ядерної енергії (теплота / фунт палива) всіх трьох типів в 10 мільйонів разів перевищує той же показник при виділенні хімічної енергії. Чим відрізняються ці види енергії? Для того, щоб розібратися в цьому питанні, необхідні деякі знання в області хімії і фізики.
Скориставшись пропозиціями даного інтернет магазину, що продає товари для будинку, Ви без зусиль зможете купити будь-які товари за прийнятними цінами.
Природа дала нам два види стабільно заряджених частинок: протони й електрони. Протон - це важка, як правило, дуже маленька, позитивно заряджена частинка. Електрон зазвичай легкий, великий, з розмитими межами і має негативний заряд. Позитивний і негативний заряди притягуються один до одного, як, наприклад, північний полюс магніту притягує південний. Якщо магніт північним полюсом піднести до південного полюса іншого магніту, вони зіткнуться. При зіткненні виділиться невелика кількість енергії у вигляді тепла, але воно занадто мало, щоб його легко було виміряти. Щоб роз'єднати магніти, доведеться зробити роботу, тобто затратити енергію. Це приблизно те ж саме, що підняти камінь назад на пагорб.
Коли камінь скочується вниз з пагорба, виділяється невелика кількість тепла, процес же підйому каменю назад зажадає витрати енергії.
Точно так же позитивний заряд протона стикається з негативним зарядом електрона, вони «склеюються», виділяючи енергію. В результаті утворюється атом водню, що позначається як Н. Атом водню - це не що інше, як розмитий електрон, що обволікає маленький протон. Якщо вибити електрон з атома водню, то вийде позитивно заряджений іон Н +, який є не більше ніж початковим протоном. «Іон» - це назва, що застосовується до атому або молекули, які втратили або придбали один або більше електронів, і внаслідок цього перестали бути нейтральними.
Як відомо, в природі існує більше ніж один вид атомів. У нас є атоми кисню, атоми азоту, атоми заліза, атоми гелію і інші. Чим все вони відрізняються? Всі вони мають ядра різного типу, і всі ядра містять різну кількість протонів, а значить, мають різний позитивний заряд. В ядрі гелію міститься 2 протона, значить, воно має заряд плюс 2, і для того щоб нейтралізувати заряд, потрібно 2 електрона. Коли до нього «приклеюється» 2 електрона, утворюється атом гелію. Ядро кисню містить 8 протонів, і має заряд 8. Коли до нього «приклеюється» 8 електронів, утворюється атом кисню. Атом азоту має 7 електронів, атом заліза - близько 26. Проте, будова всіх атомів приблизно збігається: маленьке, позитивно заряджене ядро, що знаходиться в хмарі розмитих електронів. Різниця в розмірі між ядром і електронами величезна.
Діаметр Сонця всього в 100 разів більше діаметру Землі. Діаметр хмари електронів в атомі в 100 000 разів перевищує діаметр ядра. Для того щоб отримати різницю в обсягах, необхідно звести ці числа в куб.
Тепер ми готові зрозуміти, що таке хімічна енергія. Атоми, будучи електрично нейтральними, в дійсності можуть з'єднуватися один з одним, вивільняючи більше енергії. Іншими словами, вони можуть з'єднуватися в більш стійкі конфігурації. Електрони вже в атомі намагаються розподілятися так, щоб якомога тісніше наблизитися до ядра, але внаслідок своєї розмитою природи їм потрібен певний простір. Однак, з'єднуючись з електронами іншого атома, вони зазвичай утворюють більш тісну конфігурацію, що дозволяє їм наблизитися до ядер. Наприклад, 2 атома водню можуть з'єднатися в більш компактну конфігурацію, якщо кожен атом водню віддасть свій електрон хмарі з 2 електронів, яке ділиться між двома протонами.
Таким чином, вони формують групу, що складається з двох електронів в єдиному хмарі і двох протонів, відокремлених один від одного простором, але, тим не менш, які перебувають всередині хмари електронів. В результаті відбувається хімічна реакція, що протікає з виділенням тепла: Н + Н => НГ (Знак «=>» означає «переходить в" або "стає"). Конфігурація Н2 - це молекула водню; коли ви купуєте балон з воднем, то отримуєте не що інше як молекули Н. Більш того, з'єднавшись, два електрона Н2 і 8 електронів атома Про спроможні створити ще більш компактну конфігурацію - молекулу води Н Про плюс тепло. Насправді молекула води - це єдине хмара електронів, всередині якого знаходяться три точкових ядра. Така молекула є мінімальною енергетичної конфігурацією.
Таким чином, спалюючи нафту чи вугілля, ми перерозподіляємо електрони. Це призводить до утворення більш стійких конфігурацій точкових ядер всередині хмар електронів і супроводжується виділенням тепла. В цьому і полягає природа хімічної енергії.
У попередньому міркуванні ми випустили з уваги один момент. Чому в природі ядра спочатку містять два або більше протонів? Кожен протон має позитивний заряд, а коли відстань між позитивними зарядами настільки мало, що можна порівняти з простором, що оточує ядро, вони сильно відштовхуються одна від одної. Відштовхування однойменних зарядів подібно відштовхування, що виникає між північними полюсами двох магнітів, коли їх намагаються неправильно з'єднати. Повинно бути щось, яке долає це відштовхування, інакше існували б тільки атоми водню. На щастя, ми бачимо, що це не так.
Існує сила іншого типу, яка впливає на протон. Це ядерна сила. Завдяки тому, що вона дуже велика, частки міцно утримуються практично один на одному. Крім того, існує другий тип важких частинок, які відрізняються від протона тільки тим, що не мають ні позитивного, ні негативного заряду. Вони не відштовхуються позитивним зарядом протона. Ці частинки називаються «нейтронами», так як є електрично нейтральними. Особливістю є те, що незмінне стан частинок можливо тільки всередині ядра. Коли частка виявляється поза ядра, протягом близько 10 хвилин вона перетворюється в протон, електрон і дуже легкий анти-нейтрино. Однак всередині ядра вона може залишатися незмінною як завгодно довго. Як би там не було, нейтрон і протон дуже сильно притягуються один до одного. Наблизившись на достатню відстань, вони з'єднуються, утворюючи дуже міцну пару, так званий дейтрон, який позначається D +. Одиночний дейтрон, з'єднуючись з одиночним електроном, утворює атом важкого водню, або дейтерію, що позначається D.
Друга ядерна реакція відбувається, коли взаємодіють два дейтрона. Коли змушують взаємодіяти два дейтрона, вони з'єднуються, утворюючи частку, що має подвійний заряд. Комплекс із двох протонів і двох нейтронів навіть більш стійка, ніж угруповання протон- нейтрон в дейтроні. Нова частинка, нейтралізована 2 електронами, стає ядром атома гелію, який позначається Чи не. У природі існують і великі угруповання, які є ядрами вуглецю, азоту, кисню, заліза та інших атомів. Існування всіх цих угруповань можливо завдяки ядерної силі, яка виникає між частинками, коли вони взаємодіють один з одним або ділять між собою загальний обсяг простору, рівний розміру ядра.
Тепер ми можемо зрозуміти природу звичайної ядерної енергії, яка в дійсності є енергією ядерного розщеплення. Протягом ранньої історії всесвіту формувалися масивні зірки. Під час вибуху таких масивних зірок утворювалися ядра безлічі типів і знову розривалися в космічному просторі. Планети і зірки, включаючи Сонце, утворювалися з цієї маси.
Можливо, в процесі вибуху з'явилися всі можливі стійкі конфігурації протонів і нейтронів, а також такі практично стійкі угруповання, як ядро урану. Насправді існує три різновиди ядер атомів урану: уран-234, уран-235 і уран-238. Ці «ізотопи» розрізняються кількістю нейтронів, однак, всі вони містять по 92 протона. Ядра атомів урану будь-якого типу можуть перетворитися в менш енергетичні конфігурації шляхом викиду ядер гелію, однак, цей процес відбувається настільки рідко, що земної уран зберігає свої властивості протягом близько 4 мільярдів років.
Проте, існує й інший спосіб порушити конфігурацію ядра урану. У загальних рисах, угруповання протонів і нейтронів є найбільш стійкими, якщо містять близько 60 пар протон-нейтрон. Кількість таких пар, що містяться в ядрі урану, в три рази перевищує цю цифру. Внаслідок цього, воно прагне розділитися на дві частини, виділивши при цьому велику кількість тепла. Проте, природа не дозволяє йому розділитися. Для того щоб це зробити, йому спочатку потрібно перейти в більш високоенергетичну конфігурацію. Однак, один з видів урану - уран-235, що позначається 235 U, - отримує необхідну енергію, захопивши нейтрон. Отримавши таким чином необхідну енергію, ядро розпадається, виділяючи величезну кількість енергії і випускаючи при цьому додаткові нейтрони. Ці додаткові нейтрони в свою чергу можуть розщеплювати ядра урану-235, що призводить до ланцюгової реакції.
Саме цей процес і відбувається на ядерних електростанціях, де тепло, що є кінцевим продуктом ядерного розпаду, використовується для кип'ятіння води, утворення пари і обертання електричного генератора. (Недоліком цього методу є виділення радіоактивних відходів, які необхідно надійно усувати).
Тепер ми готові до того, щоб зрозуміти сутність гарячого ядерного синтезу. Як було сказано в уроці 5, угруповання протонів і нейтронів найбільш стійкі, коли кількість протонів і нейтронів приблизно відповідає їх кількості в ядрі атома заліза. Подібно урану, який в нормальному стані містить занадто багато нейтронів-протонів, легкі елементи, такі як водень, гелій, вуглець, азот і кисень, містять занадто мало таких пар.
Якщо створити необхідні умови для того, щоб ці ядра могли взаємодіяти, вони з'єднаються в більш стійкі угруповання з виділенням теплоти. Так відбувається процес синтезу. У природі він зустрічається в таких зірках, як Сонце. У природі стислий водень сильно нагрівається, і, через деякий час, відбувається реакція синтезу. Якби спочатку процес відбувався з дейтронами, які вже містять подвоєні протон і нейтрон, реакції в зірках протікала б відносно легко. Швидкість, з якою атом кожного конкретного типу рухається всередині хмари подібних атомів, безпосередньо залежить від температури. Чим більше температура, тим вище швидкість, і тим ближче атоми один до одного, здійснюючи одномоментне зіткнення.
У зірках температура досить велика для того, щоб електрони покинули ядра. Таким чином, можна говорити, що в реальності ми маємо справу зі змішаним хмарою електронів і ядер. При дуже високій температурі ядра в момент зіткнення настільки наближаються один до одного, що включається ядерна сила, що притягає їх один до одного. Внаслідок цього ядра можуть «склеїтися» і перетворитися в більш низькоенергетичну угруповання протонів і нейтронів, випустивши тепло. Гарячий ядерний синтез є спробою провести цей процес в лабораторних умовах з використанням дейтерію і потрійного водню (ядро якого містить 1 протон і 2 нейтрони) у вигляді газу. Для гарячого синтезу потрібно підтримувати температуру газу в сотні мільйонів градусів, що за допомогою магнітного поля може бути досягнуто, але тільки на 1-2 секунди. Є надія, що з'явиться можливість зберігати температуру газу протягом більш тривалого періоду часу. Поки температура досить висока, ядерна реакція протікає в момент зіткнення ядер.
Основна форма, в якій виділяється енергія - це випуск високоенергетичних нейтронів і протонів. Протони дуже швидко перетворюються в тепло. Енергія нейтронів теж може перетворитися в тепло, однак, після цього обладнання стає радіоактивним. Дезактивувати обладнання представляється дуже складним, тому гарячий синтез не годиться в якості методу для комерційного виробництва енергії. У будь-якому випадку енергія гарячого синтезу - це мрія, яка існує вже, принаймні, 50 років. Тим не менше, більшість вчених розглядають гарячий синтез як єдиний спосіб отримання енергії синтезу. У процесі гарячого синтезу утворюється менше радіації, ніж при розщепленні, він є екологічно чистим і практично необмеженим джерелом палива на Землі (щодо сучасного споживання енергії, було б достатньо на багато мільйонів років).
Нарешті, ми підійшли до пояснення холодного синтезу. Холодний синтез може стати простим і нерадіоактивним способом виділення енергії синтезу. В процесі холодного синтезу протони і нейтрони одного ядра взаємодіють з протонами і нейтронами іншого абсолютно інакше.
При цьому ядерна сила сприяє тому, що вони утворюють більш стійку конфігурацію. Для будь-якої ядерної реакції необхідно, щоб реагують ядра мали загальний обсяг простору. Ця вимога називається поєднанням частинок. При гарячому синтезі поєднання частинок відбувається на короткий час, коли долається сила відштовхування двох позитивних зарядів, і ядра стикаються. Під час холодного синтезу умова суміщення частинок досягається шляхом примусу ядер дейтерію поводитися як розмиті частки, подібні електронам, а не як крихітні точкові частинки. Коли легкий або важкий водень доданий в важкий метал, кожен «атом» водню займає таку позицію, де він з усіх боків оточений атомами важкого металу.
Така форма водню називається проміжною. Електрони атомів водню разом з проміжним воднем стають частиною маси електронів в металі. Кожне ядро водню коливається, подібно до маятника, проходячи крізь негативно заряджене хмара електронів металу. Така вібрація виникає навіть при дуже низькій температурі, відповідно до постулатами квантової механіки. Подібний рух називається рухом нульової точки. При цьому ядра стають розмитими об'єктами, як електрони в атомі. Однак, подібної нечіткості недостатньо для того, щоб дозволити одному ядру водню взаємодіяти з іншим.
Необхідно ще одна умова, щоб у двох або більше ядер водню виявилося одне і те ж спільний простір. Електричний струм, що переноситься електронами в металі, поводиться як вібрує речова хвиля, а не як точкові частинки. Якби електрони не вели себе в твердих тілах як хвиля, сьогодні не існувало б ні транзисторів, ні сучасних комп'ютерів. Електрон у вигляді хвилі називається електроном блохівське функції. Секрет холодного синтезу в необхідності отримання дейтрона блохівське функції. Для того, щоб два або більше дейтронів мали загальний обсяг простору, всередині або на поверхні твердого речовини потрібно отримати хвильові дейтрони. Як тільки створюються дейтрони блохівське функції, починає діяти ядерна сила, і протони і нейтрони, що входять до складу дейтрона, переорганізуются в більш стійку конфігурацію гелію блохівське функції, що супроводжується виділенням тепла.
Для вивчення холодного синтезу експериментатору потрібно змусити дейтрони перейти в хвильовий стан і підтримувати їх в такому стані. Експерименти по холодному синтезу, що демонструють виділення надлишкового тепла, доводять, що це можливо. Однак, досі ніхто не знає як можна провести подібний процес найбільш надійним способом. Використання холодного синтезу обіцяє отримання енергетичного ресурсу, якого вистачить на мільйони років, при цьому не буде ні проблем глобального потепління, ні радіоактивності - ось чому слід докласти серйозних зусиль для вивчення цього явища.